Автоматизированное проектирование

Рассматривая проектирование как творческий процесс, где во взаимодействии используются логические и интуитивные методы, его можно определить как процесс функционирования системы «человек—ЭВМ». Основные составляющие последнего представлены на рис. 15.1.

Логическая составляющая характеризуется возможностя­ми компьютерных схем решения проектных задач и подразде­ляется на два типа: формально-логическую и интеллектуаль­но-логическую.

Формально-логическая компонента проектирования пред­полагает творческий характер проектирования: исследова­тельская работа проектанта по формированию алгоритма ре­шения задачи и его программной реализации.

Построение интеллектуально-логических схем основывает­ся на логической компоненте мышления проектанта и на фор­мализации интеллектуальных методов нахождения решения.

С позиции творческого функционирования системы «чело­век-ЭВМ» деятельность проектанта, опосредованная ЭВМ ха­рактеризуется как творчеством личности, так и процессом проектирования с использованием ЭВМ. Такой подход к про­ектированию называют автоматизированным.

Организационная форма применения математических методов и вычислительной техники в проектировании представляет собой систему автоматизированного проектирования (САПР).Под этим термином понимается система проектиро­вания, в которой органично объединены творческие усилия коллектива разработчиков, возможности математических ме­тодов и ЭВМ на всех этапах проектирования с применением развитых средств программного и информационного обеспече­ния, позволяющих улучшить качество проектных работ и сро­ки их выполнения. Это достигается благодаря систематиза­ции и совершенствованию проектного процесса, которые со­провождаются перестройкой структуры и кадрового состава проектных организаций; применению эффективных матема­тических моделей проектируемых объектов; комплексной оп­тимизации принимаемых решений; улучшению информаци­онного обеспечения разработок; автоматизации трудоемких и рутинных работ; частичной замене макетирования и натур­ных испытаний математическим моделированием.

Рис.8.10

САПР – сложная организационно-техническая система, представляющая собой комплекс средств автоматизации (КСА),организационно-методических и технических доку­ментов и специалистов, использующих их в процессе своей профессиональной деятельности. Согласно нормативному до­кументу, по информационной технологии в процессе автома­тизированного проектирования разрабатываются следующие виды обеспечения: техническое, программное, информацион­ное, организационно-методическое, метрологическое, право­вое, математическое, лингвистическое, эргономическое.

Проектные решения по программному, техническому и ин­формационному обеспечению реализуют изделие в виде вза­имосвязанной совокупности компонент, входящих в состав автоматизированных систем с необходимой документацией, а по остальным видам обеспечения входят в состав автоматизированных систем или их частей в качестве организационно-методических и эксплуатационных документов или реализуются в компонентах программного, технического или информационного обеспечений. Математическое обеспечение реализуют через программное или техническое обеспечение, а лингвистическое представляют в информационном или про­граммном.

Под техническим обеспечением автоматизированной системы понимается совокупность средств управляющих воздействий, получения, ввода, подготовки, преобразования, обработ­ки, хранения, регистрации, вывода, отражения, использова­ния и передачи данных с конструкторской документацией по ГОСТу 2.601.

Информационное обеспечение — это совокупность систем­но-ориентированных данных, описывающих принятый в сис­теме словарь базовых описаний (классификаторы, типовые модели, элементы автоматизации, форматы документации и т. д.) и актуализированных данных о состоянии информа­ционной модели объекта автоматизации, проектирования на всех этапах жизненного цикла.

Организационно-методическое обеспечение — это совокуп­ность документов, определяющих организационную структу­ру объекта проектирования и системы автоматизации, необ­ходимой для выполнения конкретных автоматизируемых функций, а также функционирование системы в заданных ус­ловиях и формы представления ее результатов.

Под лингвистическим обеспечением понимается совокуп­ность языковых средств для формализации естественного языка, построения и сочетания информационных единиц, используемых в этой системе при ее функционировании для общения с КСА.

Эргономическим обеспечением автоматизированных систем является совокупность взаимосвязанных требований, направленных на согласование психологических, психофизио­логических, антропометрических, физиологических характе­ристик и возможностей человека-оператора, технических характеристик КСА, параметров рабочей среды на рабочем месте.

САПР подразделяется на подсистемы, объединяющие ряд Компонентов средств обеспечения в соответствии с их предназначением. Различают объектно-ориентированные (объектные)и объектно-независимые (инвариантные)подсистемы САПР.

Состав средств обеспечения объектных подсистем САПР завиисит от класса проектируемых объектов. Объектные подсистемы могут находить применение как на определенном этапе проектирования, так и на нескольких этапах. При этом решается ряд типовых задач с соответствующей адаптацией к требованиям каждого этапа. Примером может служить подсис­тема поиска оптимальных проектных решений, которая применяется как для определения рационального типа и кон­структивной схемы объекта, его морфологического описания, так и для параметрической оптимизации.

Инвариантные подсистемы САПР осуществляют функции управления и обработки информации, не зависящие от осо­бенностей проектируемого объекта. Примерами этих подсис­тем являются подсистемы управления САПР, диалоговых процедур, оптимизации, обработки графической информации (машинной графики), информационно-поисковых процедур. Инвариантные подсистемы служат базой для разработки объ­ектных подсистем: необходимые компоненты средств обеспе­чения инвариантных подсистем наполняются «объектным» содержанием и включаются в состав соответствующих объект­ных подсистем. Например, объектная подсистема поиска оп­тимальных проектных решений строится на основе инвари­антной подсистемы оптимизации, в которой находится про­граммное обеспечение, реализующее математические методы оптимизации. В объектной подсистеме общие программы на­страиваются на применение в конкретной области техники (разработке конкретных изделий и систем). При этом выбира­ются наиболее пригодные и эффективные методы, на основе которых строятся специальные алгоритмы и программы опти­мизации.

Объектная подсистема конструирования включает в свой состав средства машинной графики, необходимые для ввода, обработки и вывода графической информации. При этом ин­вариантная подсистема машинной графики, позволяющая выполнять определенный набор типовых операций над графи­ческими изображениями, дополняется прикладными про­граммами и базой графических данных, автоматизирующими труд конструктора данного класса объектов (изделий и сис­тем).

Структурная схема САПР представлена на рис. 15.2.

Методология автоматизированного проектирования стала активно развиваться в 60—70-х годах XX столетия. Некото­рые итоги начального этапа применения САПР в авиаракето­строении были подведены в обзоре ВИНИТИ. Дальнейшее развитие САПР характеризовалось внедрением машинной графики, связанной с созданием и использованием интерактивных графических программ, которые позволили обеспечить взаимодействие проектанта и ЭВМ для решения не полностью формализованных задач и работы графической информации.

В настоящее время проектирование характеризуется широким использованием современных компьютерных технологий, базирующихся на новейших программных средствах обработки информации и компьютерной технике с высоким быстродействием и большими объемами памяти. Это позволяет осуществить проектирование сложных технических систем в САПР не только на основе формализованных (математических) моделей, но и с использованием неформализованных (или не полностью формализованных) моделей объекта. В таких

Рис.8.11

15.2. Проектирование в системе CALS - технологий

В настоящее время в промышленно развитых странах широко распространяются новые информационные CALS-технологии сквозной поддержки сложной наукоемкой продукции на все этапах ее жизненного цикла: технического замысла (НИР) проектирования (ОКР), серийного производства, продажи, эксплуатации и серийного обслуживания.

CALS (Continuous Acquisition and Life – cycle Support – непрерывная информационная поддержка жизненного цикла продукта) – это стратегия систематического повышения эффективности, производительности и рентабельности процессов хозяйственной деятельности предприятия за счет внедрения современных методов взаимодействия участников цикла продукции.

Русскоязычный аналог понятия CALS – ИПИ (Информационная Поддержка процессов жизненного цикла Изделий)

Ситуация на мировом рынке наукоемкой продукции развивается в направлении полного перехода на безбумажную электронную технологию проектирования, изготовления, сбыта и т.д. Передовые зарубежные

Фирмы рассматривают работу в этом направлении как действенное средство ограничения доступа на международный рынок наукоемкой продукции тех стран, которые не сумеют своевременно освоить соответствующие международным требованиям электронной технологии разработки, производство и эксплуатацию этого вида продукции.

Особо эффективны CALS-технологии при интегрированном информационно-технологическом взаимодействии отдельных структур головного предприятия-смежников, заводов-изготовителей и других предприятий, включенных в цепь «заказчик – поставщик – потребитель». Основу CALS-технологий при этом составляют: единые способы представления обмена электронных данных; системы CAD (Computer Aide Design – Инструментальный комплекс интегрированных средств для автоматизированного проектирования изделий), САМ (Computer Aided Manufacturing – Системы автоматизации технологической подготовки производства), САЕ (Computer Aided Engineering – Система инженерного анализа), которые обеспечивают автоматизированное проектирование, производство, инженерные расчеты и исследования; системы интегрированной логистической поддержки применения изделия по назначению.

Указанные составляющие CALS-технологии базируются на международных стандартах и программно-инструментальных средствах их поддержки.

Все участники работы, проводимой в системе CALS-технологий, объединяются в виртуальные предприятия. На рис. 15.1 (бумажный информационный поток – а; информационный электронный поток – б; совместное использование данных – в) представлены принципы интеграции при создании виртуального предприятия в цепи «поставщик – потребитель». Примером построения виртуального предприятия является АВПК «Сухой», где осуществляется сложнейшее информационное взаимодействие корпорации и ее партнеров в ходе проектирования, производства, материально-техниче­ского снабжения и т. д.

Эффективность обмена данными между заказчиками, поставщиками или деловыми партнерами, находящимися в лю­бой точке земного шара, обеспечивается международными стандартами ISOCALS-технологий.

Ключевым моментом является переход крупнейших ком­паний мира от дискретного описания изделий к их электрон ному определению (ЭОИ).

Основными компонентами ЭОИ являются:

1) инструментальный комплекс интегрированных программных средств для автоматизированного проектирования изделий CAD;

2) технология автоматизированного параллельного проектирования в режиме группового использования;

3) система инженерного анализа САЕ;

4) система автоматизации технологической подготовки производства САМ;

5) система управления проектными и инженерными данными PDM (Product Data Management);

6) система визуализации и разработки документации;

7) система управления базами данных.

Мировой опыт показывает, что основными факторами достижения эффективной и производительной организации труда является реорганизация схемы прохождения

Постав- Потре- Постав- Потре- Постав- Потре-

щик битель щик битель щик битель

а) б) в)

Рис. 15.1

да является реорганизация схемы прохождения информаци­онных потоков, оптимизация организационной структуры предприятия и схемы управления производственными про­цессами. Формируется единое информационное пространство CALS-технологий.

На уровне предприятий в соответствии с этой системой ре­шаются определенные задачи на этапах жизненного цикла из­делия (ЖЦИ).На рис. 15. представлены основные компонен­ты формирования единого информационного пространства при проектировании, технологической подготовке производ­ства, изготовлении и эксплуатации.

Проектирование является одним из этапов (ЖЦИ). При этом имеется в виду не традиционный, последовательный подход к разработке изделия, а так называемое «параллельное проектирование» (concurrent engineering – CE – C-технология), что означает интегрированный подход к процессу разработки. В основе этой технологии лежит идея совмещенного проектирования изделия, а также процессов его изготовления и сопровождения, которая координируется с помощью создаваемой для этой цели распределенной информационной среды. Такая технология позволяет использовать проектные данные, начиная с самых ранних стадий проектирования, одновременно различными группами специалистов. Так, например, в трех главных конструкторских бюро компании Boeing действует 220 групп «проектирование – производство», которые координируют параллельные разработки и состоят из специалистов разнообразных областей проектирования, технологии материалов, производства и взаимодействия с потребителями. Тем самым С-технология контролирует все стадии жизненного цикла изделия (рис. 8.14).

Развитие С-технологии, ориентированной на применение новых информационных технологий и интеграцию знаний из различных областей ЖМИ (маркетинг – проектирование – обслуживание – ремонт – утилизация), позволяет экономить не только время (на 25-50% - от момента возникновения идеи до рынка), но и средства за счет повышения качества изделий, сокращения изменений (в 2-3 раза), вносимых в конструкцию на стадии изготовления, упрощения, обслуживания.

					Система подготовки и запуска изделия в производстве

Рис. 15.2

Как показывает отечественный опыт создания изделий машиностроительных отраслей, 50-70% имеющихся дефектов в готовой продукции вызваны ошибками в конструкторских решениях, 20-30% - недостатками технологии изготовления и только 5-15% - по вине рабочих.

С-технология основывается на использовании технологии поддержки принятия решений и состоит из стадий: концептуальное проектирование, детальное проектирование и рабочее проектирование. На первой стадии осуществляется анализ исходных требований и ограничений, дается оценка возможности нахождения проектного решения; на второй производится выбор допустимых типов проектных решений (альтернативных вариантов изделия); на третьей – выбор технических решений.

Процессы обеспечения взаимодействия

Бизнес-план. Как

План программы. затребовано

Контрактные

Персонал.

Новые технологии.

Концептуальное

Проектирование. Процессы

План управления

конфигурацией обеспечения

жизненного

цикла

Проектные

данные.

производству изготовлено

Планирование

Логистика поставлено

Как

План поставки. эксплуа-

испытаний

Данные по

эксплуатации.

Гарантийное обслуживание Рис.15.3.

При внедрении С-технологии возникает ряд проблем, которые могут быть объединены в три группы: обоснование экономической эффективности; организация и управление всем комплексом деятельности, связанной с внедрением С-технологий; разработка стратегий планирования развития и внедрения С-технологии.

Параллельное проектирование осуществляется Виртуальным Проектным Бюро (ВПБ). В состав ВПБ входят специалисты из разных структурных подразделений, а также подразделений смежных предприятий и организаций, которые вместе осуществляют общий проект изделия на всех стадиях ЖЦИ – от маркетинга до утилизации изделия.

CALS-технологии базируются на следующих комплексных международных стандартах:

- ISO 8879 (SGML) – стандарт для предоставления комбинированных документов: текст, таблицы, математические формулы, графики и т.д.;

- ISO 10303 (STEP) – комплекс стандартов по представлению и передаче данных об изделиях и их компонентах;

- ISO 13584 (PART LIB) – комплекс стандартов, регламентирующих создание библиотек изделий, с представлением их в соответствии с ISO 10303 (STEP);

- ISO 14959 – комплекс стандартов, регламентирующих параметризацию геометрических моделей изделия и его компонентов;

- ISO 15531 – комплекс стандартов, регламентирующих управление применения средств производства.

Успешное внедрение С-технологии, как и любой новой информационной технологии, определяется уровнем технических средств (10%), качеством программного и информационного обеспечения (40%), человеческим фактором (50%).

Лекция 16. Планирование и проведение эксперимента

Основные типы планирования эксперимента

Цель методов стратегического планирования имитационных экспериментов – получение максимального объема информации об исследуемой системе в каждом эксперименте.

Стратегическое планирование позволяет ответить на вопрос, при каком сочетании уровней внешних и внутренних факторов может быть получена наиболее полная и достоверная информация о поведении системы.

При этом решаются две основные задачи:

• идентификация факторов;
• выбор уровней факторов.

Под идентификацией факторов понимается их ранжирование по степени влияния на значение наблюдаемой переменной (показателя эффективности).

По итогам идентификации целесообразно разделить все факторы на две группы: первичные и вторичные.

Первичные – это те факторы, в исследовании влияния которых исследователь заинтересован непосредственно.

Вторичные– факторы, которые не являются предметом исследования, но их влиянием нельзя пренебречь.

Выбор уровней факторов производится с учетом двух противоречивых требований:

• уровни фактора должны перекрывать (заполнять) весь возможный диапазон его изменения;
• общее количество уровней по всем факторам не должно приводить к чрезмерному объему моделирования.

Отыскание компромиссного решения, удовлетворяющего этим требованиям, является задачей стратегического планирования эксперимента.

Эксперимент, в котором реализуются все возможные сочетания уровней факторов, называется полным факторным экспериментом(ПФЭ).

Использование ПФЭ целесообразно в том случае, если в ходе имитационного эксперимента исследуется взаимное влияние всех факторов, фигурирующих в модели.

Если такие взаимодействия считают отсутствующими или их эффектом можно пренебречь, проводят частичный факторный эксперимент(ЧФЭ).

Рассмотрим некоторые планы ЧФЭ.

1. Рандомизированный план предлагает выбор сочетания уровней для каждого прогона случайным образом.

2. Латинский план (латинский квадрат) используется в том случае, когда проводится эксперимент с одним первичным фактором и несколькими вторичными.

Если первичный фактор А имеет уровней, то для каждого вторичного фактора также выбирается уровней.

Выбор комбинаций уровней факторов выполняется на основе специальной процедуры, которую рассмотрим на примере.

Пример. Пусть в эксперименте используется первичный фактор А и два вторичных фактора – В и С; число уровней факторов равно 4.

Соответствующий план можно представить в виде квадратной матрицы размером ґ (4 ґ 4) относительно уровней факторов А. При этом матрица строится таким образом, чтобы в каждой строке и в каждом столбце данный уровень фактора А встречался только один раз (табл. 16.1).

Таблица 16.1

План полного факторного эксперимента

В результате имеем план, требующий 4 ґ 4 = 16 прогонов, в отличие от ПФЭ, для которого нужно 4³ = 64 прогона.